Cientistas desenvolvem um motor térmico sem partes móveis tão eficiente quanto uma turbina a vapor
Em um estudo recentemente publicado no periódico Nature (1), engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), EUA, reportaram o desenvolvimento de um novo motor térmico de alta eficiência e sem partes móveis. Os pesquisadores demonstraram que o novo motor (baseado em células termofotovoltaicas) converte calor em eletricidade com mais de 40% de eficiência, uma performance melhor do que turbinas tradicionais movidas a vapor. O novo recorde pode permitir reduções dramáticas no custo da geração de energia elétrica associada a baixas emissões de gases estufas, a partir de uma tecnologia segura e ambientalmente benigna.
O motor termofotovoltaico (TPV, na sigla em inglês para thermophotovoltaic cell), de forma similar a um painel solar de células fotovoltaicas, passivamente captura fótons de relativa alta energia emitidos de uma fonte muito quente e converte esses fótons em eletricidade ao excitar elétrons em um material semicondutor (efeito fotovoltaico). Um motor TPV pode permitir o armazenamento e a conversão de energia a partir de fontes muito mais quentes do que o suportado por turbinas tradicionais usadas para a produção de eletricidade hoje.
Mais de 90% da atual eletricidade no mundo é oriunda de fontes de calor como carvão, gás natural, energia nuclear e energia solar concentrada. Por cerca de 100 anos, turbinas e vapor têm sido o padrão industrial para a conversão de calor em eletricidade, onde uma quantidade de água é aquecida, transformada em vapor e, este, sob alta pressão, move partes mecânicas de um gerador para produzir eletricidade (via indução eletromagnética). Na média, turbinas de vapor convertem cerca de 35% da fonte de calor em eletricidade, com cerca de 60% representando os mais eficientes motores térmicos já desenvolvidos até o momento. Porém, as máquinas associadas a esses motores tradicionais dependem de partes móveis que são limitadas pela temperatura. Fontes de calor associadas a temperaturas maiores do que 2000°C impossibilitam o funcionamento desses motores, dificultando também otimização para um maior aproveitamento de energia térmica.
Nesse sentido, nos últimos anos, cientistas têm explorado novas alternativas de estado sólido - ou seja, motores térmicos sem partes móveis -, com potencial de trabalhar eficientemente em mais altas temperaturas e com menor custo de manutenção (já que não possuem partes móveis). Uma das mais promissoras alternativas são os motores TPV, os quais usam materiais semicondutores para capturar fótons e excitar elétrons até a banda de valência, onde são então conduzidos para a geração de eletricidade, sem a necessidade de rotores ou pás. Os fótons convertidos são predominantemente na faixa do infravermelho, associados à radiação de corpo negro emitida pela fonte quente (!). Os motores TPV também podem reduzir dramaticamente a emissão de gases estufas.
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Apesar de um funcionamento similar, a eficiência de uma célula TPV é definida de forma diferente daquela nas células solares. Isso porque, em contraste a uma célula solar, um sistema TPV pode preservar e depois converter a energia em fótons presentes em sub-bandas de valência (no material receptor), esses os quais podem ser refletidos de volta ao emissor (fonte quente) - algo que não pode ser feito quando o Sol é a sua fonte quente. Ao refletir de volta fótons não convertidos em eletricidade, a energia da radiação eletromagnética na sub-banda de valência é preservada através da reabsorção pelo emissor. A radiação refletida e subsequentemente reabsorvida ajuda a manter o emissor quente, portanto minimizando o gasto de energia externa aquecendo o emissor.
Até o momento, a maioria dos motores TPV apenas conseguiram alcançar eficiências em torno de 20%, com um máximo registrado de 32%. A principal limitação é que esses motores têm sido fabricados com materiais de baixa banda de valência que convertem fótons menos energéticos e a mais baixas temperaturas, tornando a conversão energética menos eficiente.
No novo estudo, os pesquisadores conseguiram produzir uma célula TPV que foi otimizada para a geração de eletricidade a partir de uma fonte de calor a cerca de 1900°C a 2400°C. A célula em questão é um dispositivo constituído de duas junções, materiais com uma banda de valência entre 1,0 e 1,4 eV, e uma superfície de fundo altamente reflexiva para enviar o máximo de fótons não aproveitados na sub-banda de valência de volta ao emissor.
Em valores de 1,4/1,2 eV, a célula alcançou uma eficiência máxima de 41,1%, operando a uma densidade de energia de 2,39 W/cm2 e um emissor a 2400°C. Em valores de 1,2/1,0 eV, a célula alcançou uma eficiência máxima de 39,3%, operando a um densidade energética de 1,8 W/cm2 e um emissor a uma temperatura de 2127°C, e com pouca variação ao longo de uma ampla faixa de temperatura (~38,2% em uma faixa de 1900-2300°C).
Com essa alta eficiência e funcionando a temperaturas muito altas, a nova célula TPV pode ser escalada para aplicação em sistemas de armazenamento de energia térmica em escala de grade (TEGS). TEGS é uma tecnologia de baixo custo que usa células TPVs para converter calor em eletricidade acima de 2000°C, um regime inacessível às turbinas tradicionais. É basicamente uma bateria que recebe eletricidade, converte em calor, armazena o calor e então o converte de volta em eletricidade pelas células TPVs sob demanda. Com o desenvolvimento de novos materiais baseados em grafite, o custo do meio de armazenamento TEGS tem sido reduzido para US$0,5/kg nos últimos anos, associado a um custo por unidade de energia inferior a US$10 por kWh. Isso possibilita que o custo final da eletricidade alcance menos de US$20 por kWh, permitindo por sua vez que energia renovável (fonte de aquecimento do emissor) com armazenamento se torne custo-competitiva com os combustíveis fósseis.
A proliferação da tecnologia TEGS pode ultimamente permitir a redução de aproximadamente 40% das emissões globais de dióxido de carbono (CO2), ao descarbonizar a grade de energia elétrica (aproximadamente 25% das emissões) e, então, permitir eletricidade livre de CO2 recarregar veículos elétricos no setor de transportes (responsável por aproximadamente 15% das emissões de gases estufas).
Além de aplicação na tecnologia TEGS, uma eficiência TPV de >40% pode permitir várias outras potenciais aplicações. Essas aplicações incluem outras tecnologias de armazenamento de energia, geração de eletricidade em larga escala a partir de gás natural, propano ou gás hidrogênio, e recuperação de calor industrial residual a altas temperaturas.
No novo estudo, a célula TPV usada nos experimentos tinha cerca de 1 cm2. Para um sistema de bateria térmica em escala de grade, essa célula precisa ser escalada para cerca de 930 m2, e tipicamente operaria em depósitos climaticamente controlados para extrair uma alta quantidade de energia solar armazenada (2).
REFERÊNCIA
- (1) LaPotin et al. (2022). Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature 604, 287–291. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04473-y
- (2) https://news.mit.edu/2022/thermal-heat-engine-0413
Reviewed by Saber Atualizado
on
abril 20, 2022
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